（精密仪器及机械专业论文）高效率的微器件自动装配技术研究.pdf

巾国科学技术火学博士学位论文 摘篮 摘要 微器件装配技术是获得二维微细结构 解决j 二艺兼容性问题币i 组件级分上合作问题的有 效手段 这种技术采用有别于传统微细加丁手段的整体加t 方法 根据器件不同组成部分的 工艺或功能进行划分 分别加上出这些组件后再进行组皱 微装配技术降低了复杂结构的加 工成本 把微细加工的生产组织方式向传统生产组织方式靠拢 是实现毫米或亚毫米人小复 杂机器系统的关键技术之一 目前 微装配技术中仍亟待解决的核心问题是进一步提高装配效率 由于微器件操纵的 拾取 转移 释放i 个阶段都深受粘附力的影响 对粘附力的应对直接犬系到操纵的成败和 微器件最终安装的 7 置稍度 而拈附力的三种上要组成部分 范德华力 静电力和表面张力 部受到环境参数特别是相对湿度的影响 所以研究环境参数如t 口影响微操纵成功率对j 安现 高效率的微器件装配有着重要意义 此外 对于 次完成上万个器件加t 的j 行微细加t 技 术来况 这种串行化的组装过程会是一个严重的速度瓶颈 所以还要缩艇单个器件装配所消 耗的时间 本论文通过对环境参数如何影响微操纵成功率的研究 为4 i 同的操纵原理和实验配置选 择 个最优的环境相对槛度水平 以便在不改变其它实验装置的情况r 获得晟优的操纵成功 率 并在视觉伺服系统的支持下 实现了微器件自动装配 以提高操作速度和可重复性 论 文完成的具体研究工作可以概括为如下三方面 1 基r 动力学模型 用镀会的钨探针作为枯附型微操作器存大气环境下进行微操纵实 验 井在恒温恒乐条什f 研究不同环境相对泓度f 进行微操纵的效率变化 实验结果的统 计分析表明 环境相对湿度对操纵过程中的接触界i 自f 破坏和粘附两个阶段均仃显著影响 虽 然对于不同的实验配置 样品情况和基底情况 操纵效率的具体数值会有不同 但埘这种 操纵方式来说 操纵效率受环境湿度的影响都表现 i i 了类似的变化趋势 即随着环境适度的 增加 释放微器件的效率会增加 而拾取微器件的效率先逐渐增加 在相埘泓度大于8 5 后出现急剧下降 在相对湿度大于9 0 的环境下难于拾取任何物体 总的来蜕 对于我们 的实验配置 在相对湿度处于6 5 8 5 之间时可以获得最优的操纵效率 在此研究基础上 本文用镀金的探针对高分子小球 随机形状的氧化硅颗粒 氮化硅覆盖的高分子小球等样品 在硅片和镀金的粗糙硅片上进行了成功的操纵 然后用三维市体光刻技术在玻璃基底上制作 了微型齿轮和齿轮轴 并用泼装配技术将这螳零件装配成互相啮合月传动良好的齿轮组 巾幽科学技术大学博士学位论文 摘婴 2 研制了适合实现自动操作的微操作器 该机械灾持微操作器利用压电陶瓷舣品片驱 动 能对球 立方体 剐帏体等多种形状的微小物体进行操纵 在视觉伺服系统的帮助r 实现了雎电微操作器的位移视频反馈控制 并结合夹持臂的刚度文现了夹持力控制 该微操 作器在7 0 v f 门电爪驱动卜可以曲j 合约2 0 0u m 的距离 适川于1 0u m 至u2 0 0 m 之问的 微小物体操纵 微操作器的位移控制精度为亚微米 夹持力控制精度约2 0 0n n 3 研制了环境可控的微器件自动装配系统 整个微装配系统的执行部件都放置在 个 环境控制系统的工作腔内 该环境控制系统可以调节工作腔内的气压和温度 并町以通过调 节腔内的气体成分来调节相对湿度 自动微装配系统采用视觉反馈 除了t 作台的位置反馈 之外 所有的工作场景信息均来自于视觉伺服系统 在视觉系统的支持下 能够完成显微镜 系统的自动聚焦和定标 微操作器和微器什的识别和位置测黄 以及微操作器的位移反馈控 制和夹持力控制等 在1 8 x 的光学放大倍率下 本系统能够进行亚微米精度的显微镜系统 定标 埘物体的伉置测节精度约l lm 自动微装配系统可以在1 0 秒内完成 次微器件装 配 操纵高分子小球时达到了约9 3 的成功率 关键字 自动微器件装配 微操纵教率 微操作器 环境i 度 视觉反馈 摄像机定标 i l 中西科学技术大学博士学饥论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r oa s s e m b l yt e c h n o l o g yi su s e df o rp r o d u c i n g3 dm i c r os t r u c t u r e s s o l v i n gt h ep r o b l e m o f p r o c e s sc o m p a t i b i l i t y a n dd i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r e t h em i c r oc o m p o n e n t sa r ed e v i e db yt h e i r d i f f e r e n tm a n u f a c t u r ep r o c e s so rf u n c t i o n t h e nt h e ya r em a n u f a c t u r e da n df o l l o w e db y a n a s s e m b l yp r o c e s s t h i sp r o c e s sl i k e sm a c r om a n u f a c t u r er a t h e rt h a nt r a d i t i o n a lm i c r om a n u f a c t u r e p r o c e s s i ti so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z em i l l i m e t e ro r s u b m i l l i m e t e rr o b o t i cs y s t e m s a t t e rm o r et h a nt e ny e a r sr e s e a r c h t h eb i g g e s tp r o b l e mr e m a i n e do fm i c r oa s s e m b l yi st h e u n s a t i s f a c t o r ya s s e m b l ye f f i c i e n c y a tm i c r o s c o p i cl e v e l t h ed o m i n a n ta d h e s i o nf o r c e sb e t w e e n m i c r oo b j e c t sa f f e c tm i c r oh a n d l i n gd r a m a t i c a l l y t h eh a n d i n gs u c c e s sr a t ea n dp o s i t i o n i n g a c c u r a c yo fm i c r oo b j e c t s a r ei n f l u e n c e db yt h e m h o w e v e r t h em a i nc o m p o n e n to fa d h e s i o n f o r c e s v a nd e rw a a l sf o r c e e l e c t r o s t a t i cf o r c ea n ds u r f a c et e n s i o nf o r c ea r er e l a t e dt ot h ea m b i e n t e n v i r o n m e n t a lr e l a t i v eh u m i d i t yc o n d i t i o n i no r d e rt oo b t a i na ne f f e c t i v e m i c r oh a n d l i n g e f f i c i e n c y w es h o u l du n d e r s t a n dh o we n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa f f e c tm i c r oh a n d l i n ge f f i c i e n c y m o r e o v e r t h es p e e do f s e r i a lm i c r oa s s e m b l yi sv e r ys l o wc o m p a r i n gw i t ht h a to fp a r a l l e lm i c r o p r o c e s s h e n c ew em u s tr e d u c et h et i m ec o n s u m i n go f a s s e m b l yam i c r op a r t t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e dt h ee n v i r o n m e n ti n f l u e n c e so nm i c r oh a n d l i n ge f f i c i e n c y rb y c h o o s i n gs u i t a b l ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s w ec o u l do b t a i nt h eb e s th a n d l i n ge f f i c i e n c y w h i l e t h ee x p e r i m e n t a lc o n f i g u r a t i o ni sn o tc h a n g e d f u r t h e r m o r e i no r d e rt oi m p r o v et h eh a n d l i n g s p e e da n ds t a b i l i t y av i s i o ns e r v oa u t o m a t e dm i c r oa s s e m b l ys y s t e mw a sd e v e l o p e d t h em a i n r e s e a r c hs u b j e c t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ed e t a i l e da sf o l l o w s 1 m i c r o o b j e c t s a r eh a n d l e db y a na d h e s i v e t y p e m i c r o m a n i p u l a t o r a g o l d c o a t e d t u n g s t e n t i p i na t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t a n dh o wt h eh a n d l i n ge f f i c i e n c y v a r i e sw i t ht h ea m b i e n t e n v i r o n m e n t a lr e l a t i v eh u m i d i t yl e v e la r ei n v e s t i g a t e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tb o t h t h ec o n t a c ti n t e r f a c ec r a c k i n gp r o c e s sa n da d h e r i n gp r o c e s sd u d n gm i c r oo b j e c th a n d l i n g o p e r a t i o na mr e m a r k a b l ya f f e c t e db yt h e e n v i r o n m e n t a lh u m i d i t y t h em i c r oo b j e c tr e l e a s e s u c c e s sr a t ei n c r e a s e sw i t ht h ee n v i r o n m e n t a lh u m i d i t y a n dt h ep i c k u ps u c e 嘴r a t ea l s os h o w sa t e n d e n c yo f i n c r e a s eb u tf o l l o w e db yar a p i dd e c r e a s e f o ro u ra d h e s i v et y p em a n i p u l a t o r t h eb e s t h a n d l i n ge f f i c i e n c yw i l lb eo b t a i n e dw h e nt h ee n v i r o n m e n t a lr e l a t i v eh u m i d i t yi sb e t w e e n6 5 a n d8 5 i ti sp o s s i b l et oo b t a i nas a t i s f a c t o r yh a n d l i n ge f f i c i e n c yb yc o n t r o l l i n g t h e l h 堕竺兰茎查查兰堕主兰堡堡塞 塑竺 e n v i f o n m e n m lh u m i d i t yi nap r o p e rr a n g e 2 ap i e z o e l e c t r i cd r i v e nm i e r o m a n i p u l a t o ri s d e v e l o p e d i tc a l lb eu s e dt oh a n d l em i e r o o b j e c t s w i t h s h a p e so fs p h e r e c u b i c c y l i n d e ra n ds oo n t h ed i s p l a c e m e n to ft h e m i c r o m a n i p u l a t o ri sm e a s u r e db yav i s i o nf e e db a c ks y s t e m 8 yc o n s i d e r i n gt h ee l a s t i cr a t i oo f t h e e n d e f f e c t o r s t h eg r a s p i n gf o r c ei sc o n t r o l l e db ya p p l y i n ga ne x t r ad r i v e nv o l t a g ea r e rt h e e n d e f f e c t o r sc o n t a c tam i c r oo b j e c t t h em i c r o m a n i p u l a t o rg e n e r a t e sad i s p l a c e m e n to f a b o u t2 0 0 pmw h i l ead r i v e nv o l t a g eo f7 0vi sa p p l i e d t h ed i s p l a c e m e n tr e s o l u t i o ni ss u b m i c r o n t h e g r a s p i n gf o r c er e s o l u t i o ni sa b o u t2 0 0n n 3 a ne n v i r o n m e n t a lc o n t r o l l a b l ea u t o m a t e dm i c r oa s s e m b l ys y s t e mi sd e v e l o p e d t h e e n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e mc a na d j u s tt h ea i rp r e s s u r e t e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yo f t h e w o r k i n gc h a m b e r t h ev i s i o ns e r v om i c r oa s s e m b l ys y s t e mi sf u l la u m m a i e d i tc a nf o c u sa n d c a l i b r a t et h em i c r o s c o p es y s t e m r e c o g n i z em i c r oo b j c o t sa n dm e a s u r et h e i rp o s i t i o n s c o n t r o lt h e d i s p l a c e m e n ta n dg r a s p i n gf o r c eo ft h em i c r o m a n i p u l a t o r a n d s o0 1 1 t h em i c r o s c o p ec a l i b r a t i o n p r e c i s i o ni ss u b m i c r o nw h i l et h em a g n i f i c a t i o nr a t i oo ft h em i c r o s c o p ei s18x t h es y s t e mc a n a s s e m b l eam i c r oo b j e c tw i t h i n1 0s e c o n d sa u t o m a t i c a l l y t h es u c c e s sr a t eo f h a n d l i n gp o l y m e r s p h e r e si sa b o u t9 3 k e yw o r d s a u t o m a t e dm i c r oa s s e m b l y h a n d l i n ge f f i c i e n c y m i c r o m a n i p u l a t o r e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s v i s i o ns e r v o e a m e r ac a l i b r a t i o n i v 粤壁兰垫查叁兰堡主兰堡堡兰 堑圈旦墨 插图目录 图l i 微器件装配示意图 2 图l 2 a 激光加工示意图 b 利用双光子微细加工技术制作的公牛三维图形 4 图l 一3 a f i bc v d 技术加工过程示意图和 b 加工的微操作器 5 图i 4 a 残余应力导致悬臂梁弯曲和 b 利用表面张力实现的微型风扇 5 图l 一5 可以更换微操作器的微操作系统 7 图1 6 专用微装配系统装配完成的 些三维微结构 8 图l 7c a 利用器件的形状特征实现筛选和定化和 b 利用器件不问表面的亲水疏水特性 实现姿态自动调经 9 图2 一i 荸力 范德华力 静电力和表面张力随尺度的变化图 1 3 图2 2 表面张力的物珲意义 1 6 图2 3 液滴体积变化导致的仟意f i i 面 i 面积变化示意图 1 8 圈2 4 球和甲板之间形成的液桥 1 8 图2 5 两个带电小球之问的静电相自 作用 一2 0 图2 6 电化学腐蚀加工微探针原理图 一2 2 图2 7 钨的电化学反应极化曲线 2 2 图2 8 弯曲的粘附型微操作器 2 4 图2 9 利用粘附力进行微器件操纵的简单受力图 2 5 图2 l o 包含有摩擦力的微器件操纵动力学模型 2 5 图2 l l a 成功拾取的商分子小球 b 利用粘附型微操作器实现的高分子小球霞排列2 8 图2 1 2 双光子市体光刻设备 2 9 图2 一1 3 a d 利用微操作器进行微型齿轮利齿轮轴装配 e 装配完成的齿轮系统s e m 照 j 畸 1 9 图2 1 4 粘附力导敛微操作器释放微器件失败 3 0 图2 1 5 环境町控的微器件装配系统实验装置示意图 3 1 图2 1 6 实验湿度变化图 3 4 图2 1 7 随机形状的s i 0 2 颗粒实验样品 3 5 图2 1 8 在2s i n 粗糙度岱 币i2 7 0n m 粗糙度 岛 的镀金硅片上操纵不同尺j 的随机形状s i 0 2 颗粒的效率统计 3 5 图2 1 9 不尉湿度环境下在镀金基底 s u b 2 上操纵高分子小球的效率 3 6 图2 2 0 不同湿度环境下在硅基底 s u b 上操纵高分子小球的效率 3 6 图2 2 1 不同湿度环境下在镀金基底上 s u b 2 硅基底 s u b 上和拾取镀s i 3 n 4 的高分子小 球的效率 3 6 图2 2 2 不同相对湿度下计算得到的 和以 3 8 图2 2 3 a 镀金的小球与s i n 表面之间的粘附力随环境湿度的变化和 b a f m 探针与 s i 片之间的粘附力随环境湿度的变化 3 8 图3 l 利用惯性力实现微器件释放 4 l 图3 2 压电陶瓷舣 i l i 片的结构和驱动电源接法 4 2 图3 3 微操作器模型 4 3 图3 4 微操作器原型图 4 3 图3 5 微操作器的驱动电路 4 4 叶lu i 科学技术人学博士学化论史捅罔h 录 图3 6 微操作器的驱动电源系统 4 4 匿3 7p z t 驱动电源的输入输出特性f l l i 线 4 5 圈3 8 压电陶瓷双l i 片的化移模埤l 4 6 图3 9 微操作器的电压 位移曲线 4 8 图3 1 0 a 压电陶瓷的电压控制f f 线及应变随时间的变化关系和 b 压电陶瓷的电荷控 制曲线及应变随时问的变化关系 4 9 图3 1 1 微操作器的识别和位移测最 5 0 图3 1 2 徽操作器的标定 5 0 图3 1 3 微操作器的位移控制流程 5 l 图3 1 4 a 用微操作器操纵高分子小球和 b n a c l 屯方晶体 5 2 图3 1 5 a 用微操作器排列的高分子小球和 b 用小铜棒堆放的三层l o g p i l e 结构 5 3 图3 1 6 不与基底接触释放时微器件的受力图 5 4 图3 一j 7 在基底上释放时微器件的受力图 图3 1 8 离基底不 口j 距离上释放的小球 5 5 图4 1 微装配系统结构示意图 5 8 图4 2 视频采集系统g r a p h 一5 8 图4 32 0 物镜下的测试图像 6 1 图4 4 归 化后的不 口j 焦距件价函数在 a 2 0 物镜和c b 5 0 物镜下的表现 6 2 图4 5 连续变倍显微镜不同放大倍率下的图像清晰度 6 2 图4 6 1 8 x 光学放大倍卒下的 a 聚焦和 b 离焦2 0 岬的图像 6 3 图4 7 a 经典学山法极值搜索和 b 带闽值和曲线拟合的极值搜索 6 4 图4 8 a 带s a l t 噪声的图像和 b 中值滤波后的图像 6 6 图4 9 a 原图像及其 b 灰度统计和 c 灰度拉伸后的图像及其 d 灰度统计 6 6 圈4 一j 0 a 原图像及其 b 灰度直方图 c o t s o 阅值二值化后的图像和 d a c d s e ev 3 1 软件二值化后的图像 6 8 图4 1 1 a 原图和 b 提取的微操作器边缘 6 9 图4 1 2 模板匹配法 7 0 图4 1 3 图像空间和参数空间巾的点一线埘偶性 7 l 图4 1 4 包含有旋转操作的测试图形 一7 3 图4 1 5 包含有缩放操作的测试图彤 7 3 图4 1 6 易j 二获得高精度定位的图形灰度分布 7 5 圈4 1 7 a 盟微摄像系统示意图和 b 几何模型 图4 一1 8 两条相交直线及其在图像平面和在数亨图像巾的像 7 9 图4 1 9 a 视频跟踪的图案和 b 跟踪到的图案秀心位置 8 3 图4 2 0 不同最下计算得到的偏航角 毋 俯仲角 订和出 8 3 图5 1 环境口r 控的微器件自动装配系统外观 s 7 图5 2 环境参数控制系统结构示意图 图5 3 a 微装配系统实物和 b 工作近景 8 9 图5 4 a 微装配系统的支撑结构和 b 温度漂移曲线 9 0 图5 5 微器件自动装配系统软硬件结构 9 l 图5 6 微器件自动装配系统图形用户接口 图5 7 水平移动轴的阶跃响应晰线 局部 图5 8 a 有障碍物的j 二作场景雨l b 平面内的移动路径 9 i 图5 9 完成一次微器件移动的动作序列 9 4 v n i 巾甾科擎技术人学博士学位论文 捅蒴h 录 图5 1 0 微器件移动操作过榭 9 5 l x 中国辩学技术人擘博士学位论文列丧h 录 列表目录 表2 l 常见几何形状物体问的范德华势能 1 5 表2 2 常见微细方 工材料在真空和水巾的h a m a k e r 常数 t o o d j 1 6 表3 1 常见驱动方式的性能比较 4 2 表3 2 离基底不i 剐距离上释放小球的位置误芹 5 5 表4 1 不问旋转角度f 的7 个不变矩 7 3 表4 2 不同缩放倍率下的7 个不变矩 7 3 表4 3 不同计算阶段的最 8 3 表4 4 光学放大倍率约4 x 时的定标结果 m o 指定为4 0 8 4 表4 5 光学放大倍率约1 8 时的定标结果 m 指定为1 8 o 8 4 表4 6 显微镜角度调齄前后两次定标结粜比较 一s 4 表5 i 移动工作台的控制参数 9 3 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果 除已特别加以标注和致谢的地方外 论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权 即 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版 允许论文被查阅和借阅 可以将学位论文编入有关 数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 作者答幺 关连罕 作者签名 垒墨j 岬年 月日 中幽科学技术人学博士学位论文第 章绪论 第一章绪论 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 本章摘要 微装配技术对于降低制造成本 实现复杂三维微细结构等方面有着重要意义 在多种装 配原理中 采用主动微操作器的通用微装配系统具有更多的应用机会 但目前的微装配技术 还不成熟 主要是装配效率低 无法适应大批量高精度装配的要求 所以改善微装配效率是 当务之急 本章简要介绍了用传统微细加工手段实现复杂三维微结构时面临的困难 和目前 实现三维微结构的主要手段 然后分析了微装配技术的需求和微装配系统的研究现状 引出 了本课题并提出了具体的研究目标 1 1 微操纵和微装配对于微制造的意义 1 1 1 传统加工手段的局限 传统的微细加工手段上要是通过材料的分层淀积和去除来获得所需耍的结构 其优点足 大批量标准化生产有利f 提高产量并降低成本 但这种平i 目i 3 n 技术难以获得具有大高宽比 和复杂形状的微细结构 加工材料也局限于硅 氧化硅 氮化硅等为数不多的几种材料 虽 然d r i e d e e pr e a c t i o ni o ne t c h i n g 和l i g a 德文l i t h o g r a p h i eg a l v a n o f o r m u n ga b f o r m u n g 的缩写 丁艺t l 2 1 可以制作人高宽比的微细结构 牺牲层t 艺的引入可以得到悬空的或活动 的结构 但这螳结构仍然是存半州j 二艺基础r 进行的设计 其功能受到极大的限制 所以有 限层的平面t 艺只能实现二维或准三维的结构 难于加下出具有复杂结构的三维微器仆 然 而更加复杂的i 维结构却是我们所渴望的 在微机械传动中 我们可以加上很多大小小一的 齿轮来改变传动比 却不能改变传动轴的方向 因为圆锥齿轮是传统加丁手段难于实现的 我们可以在样品表面l 二加工出微反射镜 微型透镜 4 和微光栅 镯l 难于直接加上出一 个微型光学系统来 因为共面的光学组件只能用于面内光路 微系统加工常常会用到高温工艺 例如氧化和压电陶瓷退火 而金属电极和仃机聚合 物材料 例如聚酰亚胺和s u 8 光刻胶 对高温工艺是不兼容的 为了解决t 艺兼容性问题 设汁人员 得小修改设汁或严格控制工艺的先后次序 这种对菜监材料的刻意避免或对工艺 中幽科学技术大学博士学位论文 第章绪论 过程的刻意安排都町能会使上艺更加复杂或增加成本 增加微器件结构的复杂度也常常伴随着t 艺步骤的增加 但这些t 艺j f 不是器仆上所订 的加j 二区域都需要的 即使某些j 二艺只是针对其中很小的一个部分进行处理 也不得不i p 整 个样品都经历这道t 序 共至还需要增加 些额外的丁序来保护那些不需要处理的部分 对 j 需要多步加上j 二艺的微器件 j 二艺流程越艮 其成品率就越低 0 造成本也相应地增加 1 1 2 利用微装配技术获得复杂的三维结构 如果我们改变传统的加工思路 考虑把系统的各个部分按加t t 艺或功能进行分类 分 别加 各个组件 然后通过装配技术 罔l 来获得整体的系统 则町以大大简化上艺流 程并提高成品率 同样地 如果我们考虑把包含不兼容t 艺的部分单独加工 也 t 9 解决前 面提到的工艺兼容性问题 图1 1 微器件装配示意图 f i g 1 1as c h e m e o fm i c r oa s s e m b l y c m o st 艺 硅下艺 电火花加t 6 7 和激光期i t 足常见的儿种微细加i 丁手段 它们 分别适用于4 同的材料 适宜加上的结构也各小相同 例如 c m o s 上艺适宜加上i u 路 硅 r 艺适宜对硅 氧化硅 氮化硅 聚酰弧胺等材料力i l t 获得准三维结构 电火花适亢加t 金属材料 激光加工适宜打孔或将光敏聚合物二维成型 微装配技术将这些互4 i 相天的加工 手段联系起来 最终实现多种材料 多种特征组成的形状复杂 功能强大的微系统 正如在 传统工业生产领域一样 零件加工和装配相结合的模式有利于分工协作 发挥各自的优势 降低生产成本 提高系统功能 促进微制造的发展 这种技术把微细加1 的生产组织方式向 传统生产组织方式靠拢 将会为我们在微尺度t 呈现一个缤纷的世界 对于毫米或业毫米大 2 中国科学技术丈学博士学位论文第章绪沦 小的傲型马达 微型飞行器 微型机器人来说 微装配技术可能是解决问题的灭键环节之一 微装配技术的核心是微操纵技术 要完成一次微器作装配 需要用微操作器拾起一个微 器件 然后传送到同标位置附近 调整姿态并对准装配f i 标 最后将器件放置到同标位置 由于微器件的脆弱和微小物体之问的粘附力作刚 这 系列动作无 不充满挑战性 微操作 器的夹持力大小必须精确控制 才能确保拾取微器件又不造成器件损坏 微操作器币l 微器件 之问的粘附力还可能会阻碍微器什与微操作器的分离 导致释放失败 或即使在重力的作 i j 下微器件与微操作器成功分离 但与微操作器之间的粘附仍然会导毁微器件的最终位置精度 降低 除了用于微器件装配之外 微操纵技术在其它方面也有着 泛的用途 在细胞生物学中 常常需要 f j 微操作器对细胞进行融合 8 注射 1 等操作 这些t 作都需要在微操作系统下完成 针对不同的任务 微操作器可能是微夹钳 膜 钳 微型吸 管 微型注射器等 对d n a 的操作需要纳米级分辨率的操作器 在医学领域坐 采用叮以完成切割和缝合等j 二作的微型机械手执行手术比医牛直接操作 更加卫生 更加精确 在实况视频的帮助卜 可以由 个城i j 的外科手术专家远r 控制医 器械来完成远程手术 i i 1 3 1 这样就町以节省医牛的旅行时问并缩觚患者的等待时间 在微细加工领域 微操纵技术可以被用于微犁焊接和微犁修复 个器件的失效常常足 由一个微小的缺陷或灰尘造成的 这时候如果有一个微操纵系统对失效的器件进行修复 则 可以节约成本 在光通信领域 微操纵技术已经被大量应用丁 把几十微米大小的光纤进行微米精度的对 准1 1 4 1 6 1 1 3 三维微结构的其它实现手段 除了利用微装配手段之外 通过 维扫描淀积或巧妙的平1 6 结构设计也可以获得部分 维结构 a 立体光刻 s t e r e ol i t h o g r a p h y 技术 快速原型 零件制造技术 r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g 是利用离散分版制造原理 制作产品原形技术的总称 其基本流程是在计算机上进行产品的三维c a d 模型设计 并对 所设计的模型进行分层离散 获得原型实体在不同截面上的轮廓图形信息 然后按照分层后 的几何图形信息逐层加工堆积原材料 最终生成实体原型 i l ll 2 a 在计算机的控制f 3 巾国科学技术大学博士学位论文第章绪论 工作台带动激光束在j 二作材料上按c a d 模型分层扫描 作为加j 二材料的液态感光树脂因曝 光而固化 而未扫描曝光的树脂仍然保持液态 扫描完成之后去除未l 古 化的材料即获得实体 这种立体光刻技术是一种光掩膜 尤切屑加 其环境污染小 而且町以制作具有任意 内外曲面 中空 深孔以及复杂犁腔的立体结构 普通的光成犟法能实现儿微米到儿十微米 的加上分辨率 其辛篮的应用领域集中在微小机械 模具产品的原型制造及其它一些对加j 二 精度要求不太高的零部什制作中 e 秒激光双光 三维微细加下技术具有更高的空间分辨 率 目前国际上域高分辨率町达几十纳米 图1 2 b 是日本大阪大学的研究人员利用舣光子 微细加工技术在s c r s 0 0 光刻胶上制作出的公牛三维图形 1 0pm 长 7pm 离 图1 2i a l 激光加工示意圈l b 利用双光子微细加工技术制作的公牛三维图形 f i g 1 2 a las c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rl i t h o g r a p h y 1 b am i c r ob u l lf a b r i c a t e db y t o w p h o t o nl a s e rl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y 激光快速成形技术的主要局限在于加工材料受到限制 这些光敏树脂通常不具有优良的 机械性能和电学 光学 化学特性 而月馓光逐点扫摘加工的速度非常慢 不能用丁 大规模 的零件制造 b 3 d c v d 技术 一维化学气相淀积 3d i m e n s i o n a lc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 技术1 j 立体光刻技术类 似 在激光 l a s e r 电子柬 e b 或聚焦粒子乘 f i b 的作 f 淀积气体发生系列 变化 最终往柬流焦点处沉积下固态物质 通过束流扫描可以堆积h ii 维微纳器件 同l a s e r c v d 1 相比 e b c v d 和f i b c v d 由于具有更高的空间分辨率和更优良的j 1 描控 制性能而占有优势 由于粒子束的能量远大于电子柬 且粒予束的穿透性要低于电子束 所 以f i bc v d 比e bc v d 拥有更高的沉积速率和空问分辨率 适宜制造高精度的三维微细结 构 现以f i bc v d 技术为例说明 4 中国科学技术大学博士学位论文 第 章绪论 如图1 3 a 所示 在一个密闭腔体内充满了气压为5 1 0 4p a 的芳香族气体 在能量约 3 0k e v 的聚焦g a 束的作用下 可以在束流焦点处沉积出非晶类金刚石碳 a m o r p h o u s d i a m o n d l i k ec a r b o n 这种材料具有优良的机械性能 扬氏模量约1 0 0g p a 在更低的气 压下 沉积出的类金刚石碳杨氏模最其至超过6 0 0g p a 接近碳纳米管的杨氏模最 图1 3 b 是用这种方法加上的微操作器 图1 3 a f i bc v d 技术加工过程示意图和 b 加工的微操作器 f i g t 3i a as c h e m a t i cd i a g r a mo ff i b c v dt e c h n o l o g y i b am i c r o m a n i p u l a t o r f a b r i c a t e db yf i b c v d c 平面结构翘盐 在内廊力或表面张力的作用f 些较弱f j 甲面结构会发生面外弯曲 在 般的微器r l 中 这样的应力弯曲町能引起器件火效因而必须设法避免或减小 但恳窀结构的弯曲也町以 被利用来实现非平面的器件 围 4 a 残余应力导致悬臂粱弯曲和 b 剃舟表面张力实现的徽型风扇 f i g 1 4l a n o n p l a n a rc a n t i l e v e r si n d u c e db yr e s i d u a ls t r e s s b n o n p l a n a rm i c r o f a ni n d u c e db ys u r f a c et e n s i o n 通过热氧化 蒸发 溅射 气相淀积等工艺制作的薄膜都无可避免的具有 定程度的内 巾誓科学技术人学博士学能论文第 簟绪论 应力 这种内应力的大小通常在几m p a 到几十m p a 之间 如果多层悬臂梁的各层应力不平 衡 则会在内应力的作用f 发生弯曲 图j 4 a 1 2 4 1 0 有意控制丁艺参数可以获得需要的席力 大小 从而可以控制弯曲的程度 内应力弯曲的恳臂梁结构较弱 而且轴线是一个二次曲线 这两个特点限制了这种技术的 i 途 如果在一个刚度较大的恳臂粱上设计一个较弱的铰链 并且在饺链处应用微小液滴产牛 较大的表面张力 则悬臂粱会绕着铰链发生转动 例卜4 b 1 2 j 2 6 1 精确控制铰链的刚 叟和表 面张力的大小可以获得需婴的转动角度 1 2 微装配技术的研究现状 根据微装配技术的实现手段 可以分为机械微装l l 己技术和自组装技术 机械微装配技术 利用微操作器将微器件传送到月标位置并释放 自组装技术利用微器件形状特钲或各个新的 表面化学特征不同 实现微器件的自动定位 1 2 1 通用微装配系统 通用微装配系统是使用域广泛的一种装配手段 这种系统小为具有某一类彤状特征或材 特征的微器件设计 它的通h i 微操作器可以适h j 于某尺寸范围内的绝人部分物体 虽然机 械夹持器 2 真窄吸管1 3 1 3 2 1 黏燃型微操作器 5 1 毋i 静i u 搬运1 3 6 等手段酃町以实 现微器件的转移 但使用最多适用范围最广的还是土动戌机械夹持器 通用主动式机械微操作器通常由驱动器 位移转换 放大机构和终效器 e n d e f f e c t o r 组成 驱动器是主动式机械微操作器的关键部件 我们希望微操作器的驱动器具有有体积小 驱动力大 位移大 精度高 响应快等特征 但尚没有一种驱动方式能满足以 i 所有的特点 电磁驱动器 虽然驱动力和位移较大 但体积较大 难于被集成 n 微操作器中 静电驱动 器 2 7 弦 和压电驱动器t 2 9 3 0 虽然体积小f t 驱动力大 但其位移太小 热驱动器 3 嗣ii 2 v 合金驱动器 4 4 虽然驱动力人 但响应慢 化移控制精度低 为了解决位移小的词题 需 要增加一个位移放大系统 将业微米或数微米的驱动器位移放大到几i 到几百微米 终效器 是微操作器的丁作邦住 a 接与微器件接触 与常规尺度f 豹经验不同的足 在微尺鹱f 并 不需要两个以t 1 驹失持臂 双臂微操作器已可以实现微器件的稳定夹持 过多的夹持臂会增 加微操作器的设计和控制复杂度 并增加释放器件时枯附失效的可能性1 4 6 1 目前 i 1 1 较为成功的微操作 装配系统有瑞士1 4 7 1 t 法国1 4 1 1 lp 芬兰1 4 9 1 日本1 2 8 1 韩 6 中i j 科学技术大学博士学位论文第 章绪论 国 2 5 3 5 3 等 崮内的中国科学技术大学 5 0 5 l lp 哈尔滨工业大学 5 2 大连理上大学1 5 4 1 北 京航空航天丈学 1 等都研制成功了手动或自动微操作 装配系统 通用微装配系统的微器件准确定位需要靠精密的工作台和灵巧的微操作器来保证 将器 件移动到目标位置附近以后 徽操作器和工作台协同t 作 溺整微器件剑正确的姿态和能置 然后释放器件到同标位置 因为缺乏灵巧的微操作器 丰要是缺少旋转自巾度 这种姿态 的凋整目前还不能很好地完成 同样 由于对微观尺度r 物理规律的认识和心对手段不足 在器件释放的时候常会发牛粘附 即微器件没有和微操作器札即分离 这种辅附会导致释放 失败或释放位置精度降低 通用微装配系统研究现阶段i h i i l i 的任务丰婴是提高装置适应性 装配效率年 i 装配位置精 度 提高装置适应性即微操作器能操纵多种形状多种材料宽尺度范f l j 内的微器件 提高装配 效率即减少不成功的操纵 主要是粘附失败问题 并缩短每一次操纵所需的时间 提高装 配精度即微操作器能把微器件精确放置到目标位置并稠整到所需的姿态 为了提高装置适应性和装配效率 法国b c s a n c o n 自动化实验审的n c h a i l l e t 研究组研 制了可以更换微操作器的微操作系统 4 8 1 e 如图1 5 所示 微操作器的驱动器和终效器之问 采用可以加热熔化的胶粘接 在 工具库 里储存有4 同间距 j 二作砸形状 表i l f 粗糙度的 终效器 适用于不同形状和尺寸的微小物体操纵 驱动器与不同的终效器连接后就组成了不 同的馓操作器 终效器安装位置精度约2 3p1 1 1 该微操作系统对4 i 同的操纵h 标町以选用 最台适的微操作器 从而改善了装置适应性并提商了装配效率 除了微操作器设计会影响微操纵效率之外 芬兰f i t 的q z h o u 研究发现 存小同的环 境温湿度下 压电陶瓷驱动器会表现出不同的电压 佗移特性 释放微器什的位置精度也 受到环境湿度的影响 t5 0 1 0 图1 5 可以更换微操作器的微操作系统 f i g 1 5m i c r o m a n